日立汽车为保时捷Taycan开发800V逆变器

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引言
日立AMS通过采用双面直接水冷功率模块来实现逆变器的小型化，并为2019年3月上市的奥迪e-tron配套。新开发的逆变器适用电池电压800V的系统，针对保时捷的Taycan开发。
适用800V的逆变器除了提高元件的耐压能力（如将功率器件从700V变更为1200V的耐压件），还通过改善绝缘结构件、避免大型化的同时确保耐电压、优化功率模块的端子形状、采用导体积层型绝缘片等来实现。


日立800V逆变器和功率模块

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高压大功率逆变器概况

目前市面上绝大部分电动汽车的系统电压一般在400V左右，如果这一电压升到800V，即将电池电压翻倍后，同容量电池所需的充电时间就能减半，更容易提高电机的转速和输出功率。但因此配套的相关耐压组件则需要重新开发。

此次日立AMS开发的逆变器改良了整体的绝缘设计，并推出适用800V电压的功率模块，适用800V的同时，凭借94kVA/L的功率密度实现原先约2倍的高电压及2.75倍的输出功率密度。此外，在产品化时，为了兼容两种输出功率参数，将功率模块、平滑电容器、电机控制器主板、电流传感器等主要零部件作为标准零部件开发，降低了成本。

电源电压均在450V～850V范围内，但“Inverter 300”搭载3个新型功率模块，最大相电流2秒额定为335A，连续为190A，输出功率密度为62.3kVA/L。“Inverter 600”并联2个新型功率模块，共计搭载6个，最大相电流2秒额定为670A，连续为380A，均是前者的2倍，输出功率密度为94.3kVA/L。



逆变器结构及基本参数
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高压绝缘设计

系统电压要从400V提高至800V，需要提高各元件的耐电压水平，通过优化逆变器的封装设计及使用的绝缘结构零部件，避免大型化。绝缘方法方面，除了将绝缘体完全覆盖在施加高电压的电极上进行绝缘以外，还能通过设置绝缘距离进行绝缘，但需要同时确保空间距离（通过电极间空间的最短距离）与爬电距离（沿电极间绝缘物表面的最短距离）。由于800V系统的电压翻倍，因此在采用比较跟踪指数（表示对绝缘体表面反复微放电引起的介质击穿电阻的数值）的材料时需要2倍的爬电距离。因此，为了延长绝缘树脂件的爬电距离，增加筋和槽，在总线端部设置倒角形状，抑制零部件尺寸变大的同时，也保证了爬电距离。图为电池施加800V直流电压时总线的树脂绝缘部分的截面图，条纹状的铜总线被灰色表示的绝缘树脂隔开。此处可以看到，为了延长虚线表示的爬电距离，除了在垂直方向上增加树脂的高度之外，还通过在绝缘树脂与总线接触的地方开缺口来保证爬电距离。

考虑到爬电距离的绝缘树脂结构
在系统电压为800V的情况下，如果存在无法改变某些400V元件形状的限制，那么可以通过改用比较跟踪指数较高的材料来保证爬电距离。

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双面水冷功率模块

如对比表所示，电动汽车逆变器的功率模块的冷却方式最初为间接单面冷却型，即在工业等用途的功率模块的普通基板上涂抹用于散热的油脂，并连接至散热片，但目前升级为不再使用散热油脂层并降低热阻的直接单面冷却型、以及进一步扩大冷却面积的直接水冷型双面冷却功率模块。

功率模块冷却方式的对比
直接水冷型双面冷却功率模块将功率器件产生的热量通过绝缘层直接从散热片底座散发，因此其热阻相对于间接水冷型单面冷却功率模块降低50%。
日立AMS为奥迪e-tron供应的逆变器也搭载直接水冷型双面冷却功率模块，但此次的新型逆变器除了将内置于功率模块的IGBT芯片的耐压从700V扩大至1200V以外，布局在功率模块开口处的AC/DC端子、信号端子以及直流端子采用2根正极、2根负极交互配置的结构，通过抵消由于反向瞬变电流引起的磁通，降低了寄生电感，将浪涌电压的主要起因—电感降低了30%。

电路结构由两个功率元件串联而成，采用二合一封装，IGBT、FWD等功率半导体及引线框架等元件均采用转印模具密封，并进一步封装在铝制模块壳体中，对冷却水完全密封。


双面水冷模块及其端子结构

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导体积层型绝缘片

一般的功率模块中，通常使用氮化铝等陶瓷材料对施加高电压的导体部分与散热片进行绝缘，而日立AMS的功率模块则采用树脂片对焊接了功率器件的引线框架和散热片进行绝缘。树脂片在起到绝缘作用的同时，还大量填充了负责向散热片导热的陶瓷填料，因此实现薄膜化，保证了较高的散热性能，但由于绝缘片与引线框架和散热片粘合时产生的小空隙可能会导致介电强度下降，因此导体箔被层压在绝缘片的内部。如对比表所示，当系统电压翻倍至800V时，可以通过将绝缘片的厚度增至原先的1.5倍来防止局部放电，但会增加热阻且必须降低输出功率。因此，此次的直接水冷型双面冷却功率模块使用的绝缘片内部叠有导体箔，防止局部放电的同时还确保与以前的功率模块相同的热阻。

绝缘片对比

当施加到空隙的空气层的电压高于空气的介电击穿电压时，就会发生局部放电，但是可以通过用导体箔对施加到绝缘片的电压进行分压来减小空隙的电场。

下面左图是没有层压导电箔的传统绝缘片，右图是绝缘片的中央存在导体箔时的电场分析结果，可见两者空隙部分的颜色不同。利用导体箔，引线框架与散热片之间的电位差分压至上下两层绝缘片，以将导体箔的电位固定为中间电位，从而减小施加到空隙的电场。通过分压，施加到空隙的电场减小到传统结构的80％，改善了绝缘片的局部放电特性。


绝缘片电场分析结果

来源: JSAE 2020年春季大会学术演讲会
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